CN109901191B - 旋转扫描式激光雷达成像装置 - Google Patents

Abstract

一种旋转扫描式激光雷达成像装置，包括散斑照明系统、线阵探测系统以及承载该散斑照明系统与线阵探测系统的机械转台系统，所述的机械转台系统可实现360°水平旋转，所述的散斑照明系统的光轴与线阵探测系统的光轴互相平行，且所述的散斑照明系统的光轴与线阵探测系统的光轴均与所述的机械转台系统的转动轴垂直。本发明基于随机编码测量的原理进行目标信息的探测，线阵探测器的探测单元数目不再直接限制分辨率，可以使用更少量像素数目的线阵探测器实现更高分辨率的雷达成像，降低了获取高分辨三维成像的成本，为车载激光雷达的提供了新的技术方案。

Description

旋转扫描式激光雷达成像装置

技术领域

本发明涉及一种激光雷达成像装置，特别是一种基于散斑照明与水平线阵探测的旋转扫描式激光雷达装置。

背景技术

基于飞行时间(TOF)测量的激光雷达可以高效稳定地获取远距离目标的三维空间信息，被认为是L4以上级别的ADAS系统不可或缺的探测手段。传统的机械扫描式激光雷达由竖向排列的多个Laser-APD收发对单元组成多线结构，搭载于旋转电机实现对周围360°环境的探测。目前Velodyne公司公开的其最新一代128线激光雷达产品VLS-128已经可以实现垂直40°观测视场内，纵向分辨率最高0.1°的优越成像。全固态或混合固态(以下合称固态)激光雷达是近年来逐渐发展的非传统机械扫描式的激光雷达模式。一些固态激光雷达利用了MEMS或相控阵 (OPA)替代传统机械装置进行扫描，并采用固定的接收端进行接收(以 Quannery公司为代表)；Ouster公司则率先提出了直接利用Vcsel芯片 +APD阵列进行直接的面阵雷达成像机制。然而，目前的固态激光雷达方案都无法利用单个雷达模块对360°的环境进行探测，因此其多采用了基于多雷达模块多角度互补观测作为替代解决方案，而这对于整个雷达感知系统自身成本以及整车改装的成本都带来了新的挑战。所以，尽管现有的车载激光雷达装置的发展正在经历从传统的机械扫描式向固态模式的发展，但在此后一段时期内，机械扫描式激光雷达仍然将占据着较大的市场份额。

然而，目前所有的激光雷达采用的均是“点到点”的直接信息获取模式。一方面，探测器线对的数目最终决定了输出点云数据的密度(分辨率)，线对越多则分辨能力越强；另一方面，多线探测器本身以及多线对结构所带来的精密光机加工与定标的技术难点，使得高线激光雷达的价格一直居高不下。例如Velodyne 16线雷达价格有望维持在4000美金，而Velodyne VLS-64价格却在6-7万美金居高不下。尽管国内的禾赛科技提出了通过改变线阵收发对排列的疏密的新技术方案 (CN107271983A,已成功应用于其Pandar 40产品)，但这仍然无法减少其在中央核心观测区域内所需要线对个数。因而，亟需提出一种全新类型的探测装置，以从根本上突破线阵探测器上探测单元对的数目对雷达分辨率的限制。

强度关联成像(又称鬼成像)是一种基于散斑照明编码的单像素成像机制(CN101701903B)，利用图像编码的可压缩性或压缩感知重建理论(NAT COMMUN,12010.SCIREP,26133.)，可以在低于奈奎斯特采样定率的情况下获取目标的图像，近年来逐渐发展了一种新型计算雷达机制(REMOTE SENS,2018,10(5):732)。但是这种技术通常只能对静态场景成像或者用跟瞄的方式营造相对静止的环境。

衍射光学元件(DOE)是利用衍射效应对光场进行调控的成熟光学器件，借助DOE可以产生复杂的受控点阵或图案，是一种方便可行的散斑产生机制。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于散斑照明和水平线阵探测的旋转扫描式激光雷达成像装置，以实现用包含较少数目的光电探测单元的线阵探测器获得较高分辨率的雷达成像。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种旋转扫描式激光雷达成像装置，其特点在于，包括散斑照明系统、线阵探测系统以及承载该散斑照明系统与线阵探测系统的机械转台系统，所述的机械转台系统可实现360°水平旋转，所述的散斑照明系统的光轴与线阵探测系统的光轴互相平行，且所述的散斑照明系统的光轴与线阵探测系统的光轴均与所述的机械转台系统的转动轴垂直；

所述的散斑照明系统包括激光器、衍射光学元件和发射镜，所述的线阵探测系统包括接收镜和线阵探测器，该线阵探测器由多个水平排布的光电探测单元组成；

沿所述的激光器的输出光路依次是所述的衍射光学元件和发射镜，所述的衍射光学元件被激光器照射后在所述的发射镜的焦平面上产生散斑，所述的线阵探测器沿水平方向放置于所述的接收镜的焦平面上，并且每个光电探测单元对应在水平方向内角度为α、在竖直方向内角度为β的视场(β＞α)。

激光器用于产生TOF测量所需的脉冲光源与空间上进行编码的散斑；衍射光学元件用于产生空间编码的散斑；发射镜将产生的散斑投影发射。

所述的接收镜中应至少包含一片柱面镜以实现其在水平、竖直方向不同的成像放大率，以满足所述的视场角对应关系。所述的线阵探测器具备全波形探测的能力。

所述的机械转台系统作为整个激光雷达装置的承重与固定组件。

在所述的激光雷达装置的工作过程中，每当所述的机械转台系统转过α角度，所述的散斑照明系统发出一个新的激光脉冲，同时所述的线阵探测系统中的每个光电探测单元完成一次新的探测，即转台的旋转角速度ω与系统的采样率f之间需满足ω＝αf的关系；当所述的机械转台系统绕旋转轴旋转360°，可以对水平方向内360°视场范围实施探测。

使用探测得到的信号与已知的照明散斑的空间分布，通过图像重建过程完成雷达图像的获取。

本发明的技术效果：

1.采用了激光器照射特定的衍射光学元件的方案产生一副特定空间分布的散斑进行投影照明。相比于需要设置多个激光器单元的传统机械扫描式激光雷达，本发明降低了装调难度，节省了制造成本。

2.采用了空间编码测量的探测模式，光电探测单元的数目不影响分辨率，仅影响探测次数。系统水平方向的分辨率为α(与系统设计有关)，竖直方向的分辨率仅与照明散斑有关；因此本发明可以在水平、竖直方向均获得超过光电探测器单元个数的图像分辨率。

3.通过连续旋转，本发明可以实现水平方向内360°范围的高分辨成像。

附图说明

图1为本发明旋转扫描式激光雷达成像装置的结构示意图；

图2为本发明旋转扫描式激光雷达成像装置的使用状态图。

图中标记如下：

1-激光器 2-衍射光学元件 3-发射镜 4-接收镜 5-光电探测单元水平排布的线阵探测器 6-机械转台 7-360°视场的划分示意。

具体实施方式

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域的技术人员更容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而非意在对本发明的保护范围构成限制。图1-2和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅有权利要求和它们的等同物限定。

图1为本发明旋转扫描式激光雷达装置的结构示意图，如图1所示：

该系统的构成其构成主要包括散斑照明系统、线阵探测系统以及承载该散斑照明系统与线阵探测系统的机械转台系统6，所述的机械转台系统6可实现360°水平旋转，所述的散斑照明系统的光轴与线阵探测系统的光轴互相平行，且所述的散斑照明系统的光轴与线阵探测系统的光轴均与所述的机械转台系统6的转动轴垂直；

所述的散斑照明系统包括激光器1、衍射光学元件2和发射镜3，所述的线阵探测系统包括接收镜4和线阵探测器5，该线阵探测器5由多个水平排布的光电探测单元组成；

沿所述的激光器1的输出光路依次是所述的衍射光学元件2和发射镜3，所述的衍射光学元件2被激光器1照射后在所述的发射镜3的焦平面上产生散斑，散斑经发射镜照射到外界物上，如地面、行人、机动车与非机动车辆、道路指示牌等；所述的线阵探测器5沿水平方向放置于所述的接收镜4的焦平面上，并且每个光电探测单元在水平方向内对应角度为α的视场，在竖直方向内对应角度为β的视场(β＞α)。

为了将水平方向α角度、竖直方向β角度的视场成像到单个光电探测单元上，在本实施例中，接收镜4采用了正交放置的两片柱面透镜。接收镜4还可以使用一片柱面镜与一面圆透镜组合(或与之等效的类似光学结构)实现。

在所述的激光雷达装置工作过程中，每当所述的机械转台系统6绕其转动轴转过α角度，所述的散斑照明系统发出一个新的空间分布保持不变的激光脉冲，同时所述的线阵探测系统中的每个光电探测单元完成一次新的探测：即机械转台系统的旋转角速度ω与采样率f之间需满足ω＝αf的关系。

更加具体的，参见图2：

线阵探测器中的每个光电探测单元在水平方向内对应角度为α的视场，在竖直方向内对应角度为β的视场(β＞α)，假设其沿着竖向方向存在n个采样点，则单个光电探测单元的视场区域可以表示成n×1的列向量；假设所述的线阵探测器的光电探测单元数目为m(m≤n)，则所述的照明散斑在水平方向对应角度为m×α的视场，在竖直方向内对应角度为β的视场，并可用n×m的矩阵表示；在所述的激光雷达装置工作过程中，每当所述的机械转台系统6转过α角度，所述的散斑照明系统发出一个新的空间分布保持不变的激光脉冲，同时所述的水平线阵探测系统中的每个光电探测单元完成一次新的探测；所以，当机械转台转过m次，所述的雷达系统完成了对n×1视场的全部采样；则当雷达系统转过m+1 次，所述的雷达系统完成了对n×2视场的全部采样。以此类推，当所述的机械转台系统绕旋转轴旋转360°，可以依次完成360°视场范围内每个n×1视场的探测。

上述雷达数据的探测过程可以进一步地用数学语言描述如下：

Y＝AX (1)

其中：

表示整理后的q个条带各自m次探测的结果，

表示第k次探测时，线阵探测器上的第j个(1≤j≤m)光电探测单元的探测信号；

表示激光器照射衍射光学元件产生的、已知其空间分布的照明散斑(a_ij表示对应空间位置处的强度)；

表示被探测的q个的n×1视场组成的总视场(n×q)。

当通过测量得到的Y后，结合公式(1)，利用线性或非线性优化算法，就可以重建出视场内的高分辨三维信息X。

Claims (3)

1.一种旋转扫描式激光雷达成像装置，其特征在于，包括散斑照明系统、线阵探测系统以及承载该散斑照明系统与线阵探测系统的机械转台系统(6)，所述的机械转台系统(6)可实现360°水平旋转，所述的散斑照明系统的光轴与线阵探测系统的光轴互相平行，且所述的散斑照明系统的光轴与线阵探测系统的光轴均与所述的机械转台系统(6)的转动轴垂直；

所述的散斑照明系统包括激光器(1)、衍射光学元件(2)和发射镜(3)，所述的线阵探测系统包括接收镜(4)和线阵探测器(5)，该线阵探测器(5)由多个水平排布的光电探测单元组成；

沿所述的激光器(1)的输出光路依次是所述的衍射光学元件(2)和发射镜(3)，所述的衍射光学元件(2)被激光器(1)照射后在所述的发射镜(3)的焦平面上产生散斑，所述的线阵探测器(5)沿水平方向放置于所述的接收镜(4)的焦平面上，并且每个光电探测单元在水平方向内对应角度为α的视场，在竖直方向内对应角度为β的视场，且β>α；

所述的线阵探测器沿竖向方向存在n个采样点，则单个光电探测单元的视场区域表示成n×1的列向量；光电探测单元数目为m，m≤n，则所述的照明散斑在水平方向对应角度为m×α的视场，在竖直方向内对应角度为β的视场，用n×m的矩阵表示；

工作过程中，每当所述的机械转台系统转过α角度，所述的散斑照明系统发出一个新的空间分布保持不变的激光脉冲，同时每个光电探测单元完成一次新的探测；当机械转台转过m次，即对n×1视场的全部采样；则转过m+1次，则对n×2视场的全部采样，以此类推，当所述的机械转台系统绕旋转轴旋转360°，可以依次完成360°视场范围内每个n×1视场的探测。

2.权利要求1所述的旋转扫描式激光雷达成像装置，其特征在于，所述的机械转台系统(6)的旋转角速度ω与散斑照明系统和线阵探测系统的采样率f满足以下公式：

ω＝αf。

3.权利要求1所述的旋转扫描式激光雷达成像装置，其特征在于，所述的接收镜(4)至少包括一片柱面镜。

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